姚勤隆

(天津城投建設(shè)有限公司,天津 300161)

1 問題的提出

近年來,我國電氣化鐵路發(fā)展迅猛,截止到2009年底運營里程已達36 511 km,到2020年電氣化鐵路比重將達到60%。電氣化鐵路的快速發(fā)展,為其他專業(yè)合理利用牽引供電作為電源提供了一個技術(shù)平臺。

《鐵路電力設(shè)計規(guī)范》(TB10008—2006)要求鐵路沿線,特別是區(qū)間用電負荷多而分散的鐵路沿線應(yīng)設(shè)置電力貫通線路,自動閉塞區(qū)段除設(shè)置電力貫通線以外還應(yīng)設(shè)置自動閉塞電力線路；設(shè)置在鐵路沿線,為自動閉塞電力線路和電力貫通線路供電的10 kV配電所之間的距離應(yīng)根據(jù)電源分布情況和方便檢修的原則確定,一般條件下宜為40～60 km,當受電源條件限制時,自動閉塞電力線路允許延長到70 km。

如果電力線路故障停電,可造成行車信號無法正常顯示,造成事故,尤其是單自閉電力線路或單貫通電力線路供電區(qū)段停電事故多發(fā)。為了減少因停電給行車帶來的影響,部分運營單位提出了在繁忙干線為車站信號接引第三路電源、在干線鐵路接引第二路電源的設(shè)想。在繁忙干線增建第三路貫通電力線路、在干線鐵路增設(shè)第二條貫通電力線路,在經(jīng)濟上都是一個很大的資金投入，如何利用電氣化鐵路特點實現(xiàn)提高信號供電的可靠性是一種有意義的思路。

2 遷曹電氣化鐵路交直交電源的應(yīng)用

遷曹線為國家Ⅰ級干線重載鐵路,采用10 kV單回路貫通電源供電模式。由于外部電源匱乏,為了解決沿線4座信號中繼站、3座車站信號第二路電源,采用了接引接觸網(wǎng)經(jīng)降壓變壓器將27.5 kV降壓為0.23 kV,再經(jīng)過電氣化鐵路交直交電源裝置為信號中繼站及車站信號供電的方案,供電方式示意見圖1。

圖1 中繼站供電方式示意

2.1 交直交電源的測試

為了驗證交直交電源的實際使用效果,有關(guān)部門組織對1號中繼站的交直交電源進行了連續(xù)3 d的全負荷運行測試。測試項目包括：交直交電源的輸入側(cè)相電壓U0、交直交電源的輸出側(cè)的相電壓UA、UB、UC，線電壓UAB、UAC、UBC,輸入側(cè)電流、輸出側(cè)電流,輸入側(cè)波形、輸出側(cè)波形,輸入側(cè)電壓諧波含量、輸出側(cè)電壓諧波含量。

運行方式為供中繼站的貫通Ⅰ路電源退出運行,交直交電源裝置單路供電。主要測試結(jié)果如下。

(1)U0=202 V,UA=220 V,UB=219 V,UC=218 V,UAB=389 V、UAC=381 V、UBC=382 V；帶負載時交直交電源輸入電流為24.6 A，輸出電流A相為7.2 A，B相為5.9 A，C相為6.7 A。

圖2 交直交輸入電源電壓波形

表1 輸入電壓各次諧波含量

注：N—諧波次數(shù)；R.M.S—交流有效值，%—與基波比值的百分數(shù)；ANG—該次諧波的初相位。

圖4 整流原理示意

圖3 交直交輸出三相電壓波形

表2 輸出諧波分析(帶負載有列車經(jīng)過)

2.2 交直交電源的測試小結(jié)

從測試結(jié)果看,輸入電壓諧波總畸變率為21.6%,數(shù)據(jù)超過了國家標準16.62%,在經(jīng)過交直交電源整流治理后,輸出電壓諧波總畸變率為A相：2.421%、B相：3.455%、C相：3.420%,諧波含量下降,能夠滿足《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549—93)標準中規(guī)定的0.38 kV電網(wǎng)電壓總諧波畸變率5%以下的要求,且設(shè)備運行正常,輸出電壓穩(wěn)定,能夠滿足鐵路運營正常使用要求。

3 單變?nèi)恢苯还ゎl機與高頻機使用效果的比較

筆者在從事電氣化鐵路信號第二路電源設(shè)計中,先后使用了工頻交直交電源、高頻交直交電源等兩種方案,兩種機型工作原理及使用效果比較如下。

3.1 工頻交直交電源的使用及問題處理

交直交電源輸入電源引自接觸網(wǎng),接觸網(wǎng)電源為單相供電系統(tǒng),交直交電源采用單變?nèi)霓D(zhuǎn)換模式,其整流原理示意如圖4所示,逆變原理示意如圖5所示。

圖5 逆變原理示意

交直交電源單相交流輸入AC220V,經(jīng)過電抗器、升壓變壓器、整流橋、電容穩(wěn)壓濾波、BUCK斬波,穩(wěn)壓濾波最后輸出穩(wěn)定的DC220V電源,DC220V然后再經(jīng)過逆變器和升壓變壓器輸出穩(wěn)定的三相四線交流電源。

單變?nèi)ゎl交直交電源經(jīng)現(xiàn)場安裝調(diào)試及運行,暴露出了一些問題：DC-DC模塊燒損、斬波器燒損、逆變模塊燒損、部分器件松動等。

3.1.1 DC-DC模塊的故障

工頻交直交電源共有2個DC-DC模塊,分別為整流以后斬波器中的BUCK控制電路和逆變控制提供工作電源。一旦DC-DC模塊發(fā)生故障以后,直流斬波和逆變就無法正常工作,導致設(shè)備無輸出。為直流斬波控制電路提供電源的DC-DC模塊輸入電壓引自整流電容穩(wěn)壓濾波之后、斬波之前。DC-DC模塊的額定工作電壓為300 V(最高450 V、最低180 V),而DC-DC模塊輸入點的直流電壓為V×1.1×1.414(V為交流輸入電壓)。輸入交流的允許范圍為+25%～30%,也就是說DC-DC模塊的輸入范圍的理論值在240～427 V。如交流輸入電壓波動范圍超出了25%以上就很難保證DC-DC模塊的正常輸出,還有可能出現(xiàn)尖峰沖擊電壓,這樣就無法保證DC-DC模塊的正常工作。為了解決這一問題,最終將DC-DC模塊用開關(guān)電源(AC-DC)代替。開關(guān)電源的輸入取自交直交電源交流輸入端,而且開關(guān)電源本身還有濾波和抑制浪涌電壓的功能，運行比較可靠,保障了兩個核心控制電路的工作電源,提高了整機運行的可靠性。

3.1.2 斬波部分的故障

斬波部分主要包括IGBT、IGBT控制和IGBT的保護回路3部分。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)電源質(zhì)量諧波含量高、電壓波動大,對交直交電源的安全運行影響很大,尤其是對斬波部分的影響。最嚴重的一次故障將斬波回路的所有器件全部擊穿,DC-DC模塊也被燒損。經(jīng)過現(xiàn)場查看和分析認定,交直交電源輸入電源的降壓變壓器二次N線未做接地造成電壓漂浮,L、N線間的電壓升高且漂浮不定,高的時候能達到1 000 V左右,IGBT直接被擊穿,IGBT的吸收保護電路也被燒損。BUCK控制電路的工作電源為DC24V,由于DC-DC模塊的輸入與輸出同時也被擊穿,BUCK控制電路的工作電源就會接通一個很高的電壓,導致BUCK控制電路燒損；IGBT被擊穿以后相當于完全打開,后端的DC-DC模塊也由于輸入電壓異常而導致無法正常工作,影響逆變控制和逆變模塊輸出。

將交直交電源的輸入電源變壓器的二次側(cè)N線強制接地,把N線拉為零電位,保障L、N之間的電壓只是原次邊的電磁耦合的電壓,使交直交電源輸入電源為一穩(wěn)定的0.23 kV的電壓。

3.1.3 逆變模塊的故障

逆變模塊的損壞也會造成設(shè)備交流輸出缺相,設(shè)備保護關(guān)機。拆下燒損的逆變模塊以后,初步測量發(fā)現(xiàn)逆變模塊的輸出端相間短路。經(jīng)檢查,輸出側(cè)負載無異常,也沒有過載的情況。經(jīng)過查看這個器件的入廠檢驗記錄,發(fā)現(xiàn)這個器件的部分參數(shù)性能都略低于其他模塊，這說明器件質(zhì)量存在一些問題。

3.1.4 部分器件的松動引起的故障

交直交電源安裝在鐵路沿線,當列車通過時會造成比較大的振動,難免有些器件造成松動。因此在一些特殊工作環(huán)境安裝的交直交電源一定要進行防松處理,避免造成設(shè)備的運行異常。工頻交直交電源是由每個單元構(gòu)成的,一旦某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了故障，就會很大程度上影響到其他環(huán)節(jié)的正常運行,導致整個設(shè)備的停機。

3.2 高頻交直交電源的原理及使用

高頻交直交電源通常由IGBT高頻整流器,電池變換器,逆變器和旁路組成,IGBT構(gòu)成高頻整流器的整流波形,是對輸入電壓波形實行均勻地高頻切割,有的是頻率固定而切割寬度可調(diào),有的是對寬度固定而頻率可調(diào),這樣做是為了使輸入電流和電壓同相,達到輸入功率因數(shù)為1的目的。IGBT有3個極,分別為漏極、源極和柵極,柵極又稱為門極。IGBT的開通與關(guān)斷是由門極電壓來控制的,在門極加上正向電壓時,IGBT打開,進入導通狀態(tài)。在門極施加反向電壓后,IGBT被關(guān)斷。IGBT整流器開關(guān)頻率通常在幾kHz到幾十kHz,甚至高達上百kHz。典型的高頻機拓撲見圖6。

圖6 高頻交直交電源拓撲圖

通過與工頻交直交電源的拓撲原理圖比較,可以看出這種設(shè)備通過在整流部分增加BOOST斬波器,將整流后的直流提升到輸出所需的電壓,從而省掉了逆變器后面的輸出變壓器,即以直流升壓取代了變壓器交流升壓。高頻交直交電源整流屬于升壓整流模式,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為800 V左右,由于高頻機直流母線電壓為800 V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220 V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。

該電源的優(yōu)點是省掉了逆變器輸出變壓器,降低了成本,減小了質(zhì)量和占地面積。由于在斬波升壓環(huán)節(jié)增加了功率因數(shù)校正功能,使這種設(shè)備具有非常好的輸入功率因數(shù)。高頻交直交電源由于頻率很高，電路中所配備的電感器件、電容器件體積就變的很小，這就為模塊化生產(chǎn)提供了條件,功率模塊可以N+1個配置,當設(shè)備運行中某一個模塊發(fā)生故障,故障模塊會自動退出運行,不會影響整體設(shè)備運行。在首次建設(shè)時可在柜體中預留功率模塊位置，一旦運行以后需要増容,只需購買相同模塊安裝就可,降低了后期增容成本。筆者在信號電源工程設(shè)計中使用高頻模塊化交直交電源,運行情況良好。

3.3 高頻交直交電源與工頻交直交電源特性比較

3.3.1 高頻機與工頻機功率因數(shù)的比較

功率因數(shù)是供電部門對用戶的一個重要考核指標。供電部門對用電部門的要求是功率因數(shù)不低于0.9～0.95,如果低于這個值供電部門要罰款,高于這個值高于部分要獎勵。因此運行部門要求所供應(yīng)的設(shè)備應(yīng)最大限度地從供電系統(tǒng)少吸取無功功率,可以提高供電變壓器的有功輸出,減少無功容量的占有。同時，可以在容量允許的情況下更換小容量的供電變壓器,以達到減少變壓器的銅損鐵損的目的。

對交直交電源來講,功率因數(shù)的高低標志著對電網(wǎng)的有效利用能力,對電網(wǎng)和周圍空間的干擾能力，以及對降壓變壓器容量的要求。為了保證供電環(huán)境的清潔,就要求交直交電源必須具有高輸入功率因數(shù),以減少對供電系統(tǒng)的干擾。

10 kVA以下的工頻交直交電源在無輸入功率因數(shù)補償時,單相整流時輸入功率因數(shù)一般為0.6～0.7,諧波電流50%。這就意味著輸入電源的電線、開關(guān)需要在規(guī)格上加大倍數(shù),變壓器的容量也應(yīng)增大容量。10 kVA以上的大中功率工頻交直交電源一般用6脈沖整流時,交直交電源輸入功率因數(shù)約為0.8,諧波電流大約在30%左右,這同樣意味著應(yīng)將輸入回路的各種線路及配件、降壓變壓器加大容量。3相12脈沖整流時工頻交直交電源的輸入功率因數(shù)雖然可以做到0.95,但還是有10%左右的諧波電流成分,不符合國家相關(guān)標準的要求,需要配套整治。

高頻交直交電源是由IGBT構(gòu)成整流電路,它與用晶閘管不同的是,晶閘管是對輸入電壓波形實現(xiàn)集中切割,需要多少切割多少；而高頻交直交電源的IGBT是對輸入電壓波形實行均勻的高頻切割,有的是頻率固定而切割寬度可調(diào),有的是寬度固定而頻率可調(diào),這樣做的目的是為了使輸入電流和電壓同相達到輸入功率因數(shù)為1的目的。功率因數(shù)的提高也減小了設(shè)備本身向系統(tǒng)輸送諧波電流的效果,實現(xiàn)了綠色電源的目地。

3.3.2 關(guān)于輸出隔離變壓器的比較

工頻單變?nèi)恢苯浑娫摧敵鰹槿嗨木€380V電源,工頻交直交電源整流器屬于降壓整流,工頻交直交電源在輸岀時必須有一個升壓的環(huán)節(jié),需加裝升壓變壓器升壓并將三相三線制轉(zhuǎn)成三相四線制；高頻交直交電源本身就能輸岀三相四線電源無需加裝輸出變壓器。高頻交直交電源不但降低了銅材消耗還降低了能源的消耗,而且還可以降低設(shè)備的采購成本。

4 結(jié)語

在外電源匱乏地區(qū)的電氣化區(qū)段，采用從接觸網(wǎng)上取電使用交直交電源裝置供沿線信號、通信系統(tǒng)用電，可少建1條電力貫通線路。以遷曹線為例,建設(shè)1條電力貫通線路和4個變電所投資約2 950萬元,4個中繼站及3個信號樓使用交直交電源裝置,按每處綜合投資70萬元計算,合計投資490萬元,可節(jié)省投資2 460萬元。在滿足信號系統(tǒng)兩路電源的前提下,選用交直交電源方案,可大量節(jié)省基本建設(shè)投資。

從交直交電源使用的故障分析和近年使用效果來看,高頻交直交電源可靠性優(yōu)于工頻交直交電源。隨著IGBT高頻整流器質(zhì)量成熟穩(wěn)定,價格趨平,適應(yīng)復雜使用環(huán)境能力較強的優(yōu)勢,由其構(gòu)成的高頻交直交電源性能穩(wěn)定,將逐步得到廣泛應(yīng)用,在交直交電源裝置選用時應(yīng)首選高頻交直交電源裝置。

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[6]吳京文.標準化促進模塊化UPS快速發(fā)展[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010(8).